突發(fā)火災(zāi)事件下高校公寓應(yīng)急疏散仿真研究

摘要：本研究以大連交通大學(xué)學(xué)生公寓一號樓為研究對象，使用Anylogic仿真軟件，研究火災(zāi)突發(fā)事件下學(xué)生公寓的應(yīng)急疏散能力。結(jié)合調(diào)研的社會力模型，配合基于社會力模型的算法建模仿真，考慮恐慌因素、結(jié)伴群體、擁堵區(qū)域三個(gè)關(guān)鍵因素，對學(xué)生公寓的疏散參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，建立學(xué)生公寓六層的仿真環(huán)境和疏散路線，對公寓整體疏散路線進(jìn)行模擬。通過仿真圖得到疏散結(jié)果符合國家規(guī)定用時(shí)，通過增設(shè)安全出口、合理改善房間布局、加強(qiáng)應(yīng)急疏散演練、樓梯與電梯結(jié)合的疏散方式，對其進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)模擬；應(yīng)急疏散；Anylogic仿真

引言

近年來，校園安全事件發(fā)生概率大幅提升。據(jù)管艷民（2020）的觀點(diǎn)，事故災(zāi)害類事件是高校中最常見的突發(fā)事件之一，往往會對師生的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響[1]。薛永存（2016）在研究中發(fā)現(xiàn)，1999年至2015年間20個(gè)省的113起典型高校學(xué)生突發(fā)事件案例中，火災(zāi)發(fā)生比例最高，達(dá)到了26.67%[2]。高校中的教學(xué)樓、學(xué)生宿舍、圖書館、實(shí)驗(yàn)室和食堂是最容易發(fā)生火災(zāi)的五個(gè)建筑場所[3]。這些地方人員密集，教學(xué)設(shè)備多，疏散難度大，一旦發(fā)生火災(zāi)往往造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，本文選取大連交通大學(xué)學(xué)生公寓一號樓為研究對象，利用Anylogic仿真模擬軟件建立公寓樓仿真環(huán)境和疏散路線，基于社會力模型對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，得到符合實(shí)際的公寓樓仿真系統(tǒng)。分析整個(gè)樓層的疏散過程，發(fā)現(xiàn)疏散中需要重點(diǎn)關(guān)注的危險(xiǎn)區(qū)域，提出應(yīng)急疏散優(yōu)化建議，為人員的實(shí)際疏散提供參考。此研究對校園宿舍樓火災(zāi)事件下人員應(yīng)急疏散行為規(guī)律及仿真模型研究有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

一、基于Anylogic火災(zāi)事件下應(yīng)急疏散仿真模型

（一）搭建疏散仿真環(huán)境

本文選取高校中高發(fā)生概率的火災(zāi)突發(fā)事件下學(xué)生公寓應(yīng)急疏散進(jìn)行模擬[4]。例如，大連交通大學(xué)學(xué)生公寓樓屬S型宿舍樓，每層房間數(shù)為32個(gè)，左右對稱均勻分布，每個(gè)房間都是一個(gè)小型疏散區(qū)域，區(qū)域內(nèi)設(shè)置疏散人數(shù)為6人。因此，在Anylogic中，建立學(xué)生公寓1層-6層仿真疏散環(huán)境。

（二）設(shè)置仿真參數(shù)

在仿真實(shí)驗(yàn)過程中，需要依據(jù)實(shí)際疏散場景對社會力模型進(jìn)行微調(diào)[5]。主要考慮兩方面：一是主觀方面的特性，主要考慮行人的心理因素對實(shí)際速度的影響[6]；二是客觀方面的特性，主要考慮疏散時(shí)的客觀環(huán)境對行人造成的影響。研究選擇大連交通大學(xué)學(xué)生公寓的場景進(jìn)行疏散模擬，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)?？只判睦恚簩W(xué)生公寓樓屬于高層建筑，由于樓層較高，人數(shù)眾多，火災(zāi)發(fā)生時(shí)人群內(nèi)部會產(chǎn)生恐慌心理，蔓延快、影響大[7]；結(jié)伴群體：經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生公寓樓內(nèi)結(jié)伴行學(xué)生占比很大；擁堵區(qū)域引導(dǎo)：學(xué)生公寓樓內(nèi)疏散環(huán)境較為復(fù)雜，可供行人選擇的疏散路徑、出口眾多，人流出現(xiàn)交叉、混行時(shí)，在寢室門口、拐角處、樓梯平臺等區(qū)域內(nèi)很容易形成擁堵，在模擬時(shí)需要將這些因素的影響考慮在內(nèi)。

1.行人尺寸ri

由于大學(xué)生存在背包和攜帶物品行為，因此行人的形狀近似為圓，圓形半徑ri取值參考人的肩和胸的尺寸[8]。因此，設(shè)置行人的直徑尺寸在（40cm，50cm）。

2.松弛時(shí)間τi

松弛時(shí)間τi與行人的反應(yīng)時(shí)間和慣性有關(guān)[9]。一般情況，行人認(rèn)識判斷災(zāi)情到來的反應(yīng)時(shí)間為3s-5s。行人在行走過程中，存在實(shí)際速度超期望速度的加速過程，本次實(shí)驗(yàn)將松弛時(shí)間τi設(shè)置為0.5s。

3.行人速度v

本研究的群體主要為高校大學(xué)生，一般年齡在18歲-26歲之間。主要考慮青年學(xué)生的速度，如表1，得到一般情況下行人的步行速度為（1.0m/s，1.4m/s）。

（三）仿真模擬過程

在Anylogic軟件行人庫中，用Ped Source、Ped Go To、Ped Change Level控件完成行人行為流程建模，包括創(chuàng)建仿真流程、寫出仿真行人庫等流程[10]。開始運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)置仿真環(huán)境和參數(shù)，隨后Anylogic開始進(jìn)行緊急疏散，得到了如圖1的公寓樓3D仿真疏散圖。宿舍內(nèi)學(xué)生跑出宿舍開始逃生，幾分鐘后各層樓梯口開始出現(xiàn)很多人。隨后對建立的仿真模型進(jìn)行多次運(yùn)行，模擬公寓樓在人數(shù)最多的情況下進(jìn)行疏散，直至最后一名同學(xué)到達(dá)安全地帶視為疏散結(jié)束。

二、仿真結(jié)果分析

（一）模擬疏散密度圖

學(xué)生公寓疏散過程模擬是對突發(fā)火災(zāi)時(shí)六層結(jié)構(gòu)宿舍樓整體疏散過程的應(yīng)急疏散模擬動畫展示，發(fā)現(xiàn)疏散過程中的特征、問題，本次截取疏散過程中有代表性的時(shí)間節(jié)點(diǎn)60s、120s、180s、300s的疏散密度進(jìn)行觀察分析。圖2中紅色區(qū)域代表人員流量大、行人較為密集的地帶，觀察疏散過程中人流疏散密度發(fā)現(xiàn)，全部人員疏散完畢所需時(shí)間為5min。

繼續(xù)進(jìn)行模擬，學(xué)生公寓中的大廳是疏散的重點(diǎn)通道出口，六個(gè)樓層的人員都需要下樓到達(dá)大廳，導(dǎo)致大廳人員多、密度大，如圖2所示。人員主要集中在每層樓的走廊和樓梯口，六樓的密度開始降低，隨著行人繼續(xù)下樓，五樓樓梯口與走廊連接處行人多，行人密度相對較大。疏散到120s時(shí)，五層、六層人員全部逃出，四層樓梯口以及離樓梯較近的位置出現(xiàn)人流停滯現(xiàn)象。大量人聚集在三樓與四樓梯口緩步臺處，造成三樓緩步臺出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象，此刻疏散速度明顯降低，時(shí)間仍在增加。疏散到180s時(shí)，三層、四層人數(shù)減少，逐漸為零，二樓樓梯口與走廊連接處人潮洶涌。300s時(shí)，整個(gè)宿舍樓內(nèi)學(xué)生疏散到建筑外安全地區(qū)。

從整體模型來看，樓梯密度較高，每層樓梯較為擁擠。疏散場景中的紅色區(qū)域?yàn)閾矶聟^(qū)，多出現(xiàn)在人流交匯處的平臺、樓道出口處。觀察發(fā)現(xiàn)，在疏散剛開始時(shí)，上層人流人數(shù)較少時(shí)，上層人員為本層人員讓路，形成匯流現(xiàn)象，隨著上層人流人數(shù)持續(xù)增加，人流壓力增大，本層人員不得不為上層人員讓路；隨著本層人員的等待，后方壓力增大，在交匯處的競爭再次恢復(fù)優(yōu)勢。本層人流和上層人流在壓力的作用下交替進(jìn)入樓梯間，導(dǎo)致人流密度和速度的波動，造成擁堵現(xiàn)象。

（二）模擬疏散折線圖分析

統(tǒng)計(jì)各樓層的每個(gè)通道口以及每個(gè)出口的疏散情況，在每個(gè)通道口分別設(shè)置檢測裝置，分別在公寓樓出口、二層樓梯口位置設(shè)置密度曲線采集區(qū)。從圖3可以看出，每層樓梯口處人員密度呈現(xiàn)出增加－平穩(wěn)－減少的狀態(tài)。疏散快結(jié)束時(shí)，二樓樓梯口所處地區(qū)的人員密度最大，而三樓樓梯口人員密度減小。樓梯口處的人員密度高，大多數(shù)同學(xué)聚集在樓梯口處。

由圖3二樓樓梯口處人流密度圖可以發(fā)現(xiàn)，在二層到六層之間的樓梯中間平臺處，人的行走速度和方向會發(fā)生變化，容易造成擁堵現(xiàn)象。在中間平臺處，由于行人需要改變180度行走方向才能進(jìn)入下一層樓梯，人沒有足夠的空間，來不及轉(zhuǎn)身，導(dǎo)致?lián)矶?。通過模擬實(shí)驗(yàn)得知，全部人員從六層疏散至一層的總用時(shí)為300s-330s。學(xué)生公寓高度為20m，屬于高層公共建筑，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，安全疏散允許的時(shí)間為5min-6min[11]。因此，此次模擬仿真實(shí)驗(yàn)的人群疏散用時(shí)符合規(guī)范要求。

（三）優(yōu)化建議

結(jié)合實(shí)地調(diào)研實(shí)驗(yàn)和仿真疏散模擬，對大連交通大學(xué)學(xué)生公寓樓在突發(fā)火災(zāi)情況下應(yīng)急疏散提出如下優(yōu)化建議。第一，增加出口數(shù)量。目前公寓樓內(nèi)平時(shí)只開一個(gè)出口，不能最大限度滿足逃生需求，可以通過增加出口數(shù)量來提高緊急疏散效率。第二，采取電梯與樓梯相結(jié)合的疏散方式。在公寓樓內(nèi)增設(shè)電梯，電梯位置應(yīng)在中間，在緊急疏散時(shí)與樓梯結(jié)合，達(dá)到最優(yōu)的疏散效果。第三，增設(shè)應(yīng)急管理人員。一旦遇到危險(xiǎn)狀況，應(yīng)急管理人員的專業(yè)素養(yǎng)直接影響行人安全疏散時(shí)間，管理人員應(yīng)及時(shí)關(guān)注突發(fā)狀況，快速做出應(yīng)對，防止突發(fā)事件發(fā)生。第四，進(jìn)行應(yīng)急疏散演練。在平時(shí)就定期組織學(xué)生進(jìn)行緊急疏散演練，面對突發(fā)事件時(shí)能高效撤離事故現(xiàn)場。

結(jié)語

本文通過仿真實(shí)驗(yàn)對公寓樓內(nèi)行人的整體疏散進(jìn)行模擬，疏散總用時(shí)為300s-330s，符合國家規(guī)定。仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)每層樓梯的中間平臺處擁堵嚴(yán)重，三層、四層為疏散的重點(diǎn)關(guān)注地點(diǎn)。因此，結(jié)合此疏散情況，提出了具體的優(yōu)化建議。

參考文獻(xiàn)

[1]管艷民.新媒體背景下高校突發(fā)事件預(yù)警機(jī)制的構(gòu)建[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2020，28（09）：218.

[2]薛永存，張建雙.十五年我國高校典型學(xué)生突發(fā)事件的統(tǒng)計(jì)分析[J].當(dāng)代教育實(shí)踐與教學(xué)研究，2016（11）：260-261.

[3]趙志全，戈福琴.1949-2019年中國高校惡性火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì)分析[J].今日消防，2021，6（03）：89-91.

[4]王月紅，周寧.某高校宿舍樓安全疏散優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].華北理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，41（04）：62-69.

[5]董曉玲.基于改進(jìn)社會力模型的多障礙物場所應(yīng)急疏散研究[D].南華大學(xué)，2023.

[6]郭海湘，盧儀帆，李旭澤，等.基于社會力模型的煤礦井下分區(qū)域應(yīng)急疏散優(yōu)化研究[J].安全與環(huán)境工程，2023，30（05）：121-132+165.

[7]趙颯.基于社會力模型的人群疏散仿真研究[D].大連理工大學(xué)，2016.

[8]矯磊，張丹丹，荊信茂.教學(xué)樓火災(zāi)疏散模型計(jì)算及模擬研究[J].科技資訊，2023，21（24）：195-197.

[9]儲岳中，劉束青，石軍花，等.多層建筑應(yīng)急疏散仿真[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2022，31（09）：396-402.

[10]閻衛(wèi)東，張瑞，劉家喜，等.基于Pathfinder的高校圖書館火災(zāi)疏散研究[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，37（04）：627-633.

[11]GB50016-2014（2018年版）建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].中國計(jì)劃出版社，2018.

作者簡介：魏恒建（1999- ），男，漢族，山東棗莊人，碩士研究生，研究方向：消防安全、應(yīng)急疏散。